碳化硅是一種典型的共價鍵結合的穩定化合物, 加上它的擴散系數低, 很難用常規的燒結方法達到致密化 ,必須通過添加一些燒結助劑以降低表面能或增加表面積 ,以及采用特殊工藝處理來獲得致密的碳化硅陶瓷。

按燒結工藝來劃分 , 碳化硅陶瓷可以分為重結晶碳化硅陶瓷、反應燒結碳化硅陶瓷、無壓燒結碳化硅陶瓷、熱壓燒結碳化硅陶瓷、高溫熱等靜壓燒結碳化硅陶瓷以及化學氣相沉積碳化硅。采用不同工藝制備的碳化硅其性能有較大的差別，即使采用同一工藝制備的碳化硅，由于各家公司采用的原料、添加劑不同，其性能相差也較大。

• 反應燒結碳化硅陶瓷

反應燒結碳化硅陶瓷的制備工藝較為簡單，它直接采用一定顆粒級配的碳化硅(一般為 1 ～ 10 μm)，與碳混和后成形素坯，然后在高溫下進行滲硅，部分硅與碳反應生成 SiC 與原來坯體中的 SiC 結合，達到燒結目的。

滲硅的方法有 2 種，一種是溫度達到硅的熔融溫度，產生硅的液相，通過毛細管的作用，硅直接進入坯體與碳反應生成碳化硅，達到燒結；另一種是溫度大于硅的熔融溫度，產生硅的蒸汽，通過硅蒸汽滲入坯體以達到燒結。前一種方法燒結后殘留游離硅一般較多，通常達到10 %～ 15 %，有時會達到 15 % 以上，這將給制品性能帶來不利。用氣相法滲硅，由于坯體的預留氣孔可以盡量少，燒結后的游離硅含量可降到?10 % 以下，有些工藝控制的好可以降到?8 % 以下，制品的各項性能大為提高。

圖 反應燒結碳化硅方梁，來源：唐山冷仕

反應燒結碳化硅的燒結溫度為 1450 ～ 1700 ℃。碳與碳化硅的骨架可以預先車削成任何形狀，且燒結時坯體的收縮僅在 3 %以內，這有利于產品尺寸的控制，大大減少了成品的磨削量，采用的原料像碳化硅 、碳、結合劑等等均無需特殊處理。因此，該工藝制備的碳化硅燒結體的生產成本較低，與其他幾種工藝相比價格相對較低，競爭力較強。但該工藝決定了燒結后坯體中總殘留有游離硅，這部分硅對以后產品的應用會產生影響，燒結體的強度不如其他工藝制品，耐磨性下降，最主要的是游離硅不能耐堿性及氫氟酸等強酸介質的腐蝕，因此它的使用受到限制。此外高溫強度也受到游離硅的影響，一般使用溫度應限制在 1 350 ℃以下，主要應用于陶瓷行業用高溫窯具，各種規格的輥棒、方梁、燃燒嘴罩、匣缽、冷風管以及機械方面的耐磨件。

2、重結晶碳化硅陶瓷

利用注漿或凝膠注模等方法制成坯體密度很高的 SiC 成形件。坯體在隔絕空氣的條件下用電爐于高達 2 500 ℃?時燒成，在 2100 ℃以上溫度時產生蒸發和凝聚作用，形成無收縮自結合結構。燒前和最終密度保持不變，在晶體之間形成固態碳化硅結合，這種 α-SiC 其碳化硅的含量可達到 100 %，密度可達 2 .6 g ，氣孔率約為 20 %。

圖 重結晶碳化硅無機膜，圖源：沈陽星光

重結晶碳化硅保留了SiC諸多優異性能，如高溫強度高，耐腐蝕性強，抗氧化性優，抗熱震性好等，廣泛應用于高溫窯具、柴油車尾氣凈化器等領域。

3、無壓燒結碳化硅陶瓷(常壓燒結碳化硅陶瓷)

碳化硅的無壓燒結可以分成固相燒結與液相燒結 2 種。

圖 ?碳化硅陶瓷零部件，圖源：AGC

固相燒結

固相燒結是美國科學家 Prochazka 于 1974 年首先發明的，他在亞微米級的β-SiC 中添加少量的硼與碳，實現碳化硅無壓燒結，制得接近理論密度 95 %的致密燒結體。隨后W Btcker 和 H Hansner 采用 α-SiC 為原料，添加硼、碳同樣可以使碳化硅致密化。以后的許多研究表明硼與硼的化合物和Al 與 Al 的化合物均可以與碳化硅形成固溶體而促進燒結，碳的加入是與碳化硅表面的二氧化硅反應增加表面能均對燒結有利。

固相燒結的碳化硅，晶界較為“干凈”，基本無液相存在, 晶粒在高溫下很易長大。因此斷裂時是穿晶斷裂，強度與斷裂韌性一般都不高，在 300 ～ 450 MPa 與 3 .5 ～ 4 .5 MPa·m^??之間 。但它晶界較為“干凈”，?高溫強度并不隨溫度的升高而變化，一般能用到 1600 ℃，強度不發生變化。在固相燒結中 SiC—AlN 系統很值得注意，由于它具有良好的電阻與導熱性，這將很有可能是一種廉價的大規模集成電路的基板材料。

液相燒結

碳化硅的液相燒結是美國科學家Muua MA 于 90 年代初發明的，它的主要燒結添加劑是 Y2O3 -Al2O3。根據其相圖可知，存在 3 個低共熔化合物：YAG(Y3A15 O15 ,熔點為 1760℃)、YAP(YAlO3 , 熔點為 1850℃); YAM(Y4Al2O9 ,熔點為 1940℃)。為了降低燒結溫度一般采用 YAG 為碳化硅的燒結添加劑。

資料來源：《碳化硅陶瓷的性能與應用》，李纓等